CN109920851A - Hemt外延结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了HEMT外延结构及其制备方法，属于半导体光电技术领域。在AlN层上与AlGaN缓冲层之间的GaN缓冲层可实现AlN层到AlGaN缓冲层的良好过渡，能够较好地连接AlN层与AlGaN缓冲层。将AlN层设置为包括底层结构与设置在底层结构上的多个凸起，AlN层的底层结构上多个凸起的存在，GaN缓冲层在AlN层上生长时形成的岛状结构的数量较小，GaN缓冲层的岛状结构的密度减小，生长得到的GaN缓冲层的岛状结构的体积增大，岛状结构的合并延迟，使得大部分缺陷会在各岛状结构的晶界处，不会移动至成膜状后生长的GaN缓冲层的一部分内，使得GaN缓冲层生长AlGaN缓冲层的表面较为平整，有利于提高在GaN缓冲层上生长的AlGaN缓冲层的质量，使最终得到的HEMT的质量得到提高。

Description

HEMT外延结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体光电技术领域，特别涉及HEMT外延结构及其制备方法。

背景技术

HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)是一种异质结场效应晶体管，其广泛应用于各种电器内。HEMT外延结构是制备HEMT器件的基础，当前一种HEMT外延结构包括衬底与依次层叠在衬底上的AlN层、AlGaN缓冲层、GaN层、AlGaN势垒层与GaN盖层，其中衬底可为碳化硅衬底、蓝宝石衬底或单晶硅衬底。

但由于GaN层与碳化硅衬底、蓝宝石衬底或单晶硅衬底之间均存在较大的晶格失配，即使有AlN层与AlGaN缓冲层在衬底与GaN层之间起到缓冲作用，最终生长得到的GaN层的晶体质量也不够好，进而影响HEMT的质量。

发明内容

本发明实施例提供了HEMT外延结构及其制备方法，能够提高HEMT的质量。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种HEMT外延结构，所述HEMT外延结构包括衬底及依次层叠在所述衬底上的AlN层、GaN缓冲层、AlGaN缓冲层、GaN层、AlGaN势垒层与GaN盖层。

所述AlN层包括底层结构与设置在所述底层结构上的多个凸起，所述多个凸起均布在所述底层结构上，所述衬底层叠所述AlN层的一个表面为第一表面，所述多个凸起在所述第一表面上的投影均不重合。

可选地，所述AlN层的厚度为400～800nm。

可选地，相邻的两个所述凸起在所述第一表面上的投影上距离最近的两点之间的距离均为500～1000nm。

可选地，每个所述凸起在所述第一表面上的投影上间隔最远的两点之间的距离均为400～800nm。

可选地，所述凸起的高度为300～1000nm。

可选地，所述底层结构的厚度为5000～10000nm。

可选地，所述GaN缓冲层的厚度为100～200nm。

本发明实施例提供了一种HEMT外延结构的制备方法，所述制备方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上生长AlN薄膜，对所述AlN薄膜进行光刻操作，使所述AlN薄膜的表面形成多个凸起，得到AlN层；

在所述AlN层上生长GaN缓冲层；

在所述GaN缓冲层上生长AlGaN缓冲层；

在所述AlGaN缓冲层上生长GaN层；

在所述GaN层上生长AlGaN势垒层；

在所述AlGaN势垒层上生长GaN盖层。

可选地，所述对所述AlN薄膜进行光刻操作包括：

在所述AlN薄膜上涂覆一层光刻胶；

对所述光刻胶进行曝光显影并对所述AlN薄膜上没有覆盖光刻胶的部分进行刻蚀，在光刻胶上形成凸起；

去除所述AlN薄膜上的光刻胶。

可选地，所述对所述光刻胶进行曝光显影并对所述AlN薄膜上没有覆盖光刻胶的部分进行刻蚀还包括：

对所述光刻胶进行曝光显影并对所述AlN薄膜上没有覆盖光刻胶的部分进行刻蚀；

使用清洁剂对所述AlN层与所述衬底进行清洗，所述清洁剂为浓硫酸和双氧水和纯水的混合配比为1：1：5的混合溶液。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：在AlN层上生长GaN缓冲层进而在GaN缓冲层上生长AlGaN缓冲层的结构，GaN缓冲层可实现AlN层到AlGaN缓冲层的良好过渡，能够较好地连接AlN层与AlGaN缓冲层，提高在AlN层上生长的AlGaN缓冲层的质量进而保证在AlGaN缓冲层上生长的GaN层的质量。而将AlN层设置为包括底层结构与设置在底层结构上的多个凸起，AlN层的底层结构上多个凸起的存在，GaN缓冲层在AlN层上生长时形成的岛状结构的数量较小，GaN缓冲层的岛状结构的密度减小，生长得到的GaN缓冲层的岛状结构的体积增大，岛状结构的合并延迟。而岛状结构的合并延迟使得大部分缺陷会在各岛状结构的晶界处，不会移动至成膜状后生长的GaN缓冲层的一部分内，使得GaN缓冲层生长AlGaN缓冲层的表面较为平整，有利于提高在GaN缓冲层上生长的AlGaN缓冲层的质量。且在岛状结构的合并过程中，GaN缓冲层在生长时产生的位错可移动至岛状结构与凸起的侧壁之间的界面处而不会移动至在凸起上生长的GaN缓冲层处，相对提高了在凸起上生长的GaN缓冲层的质量，使最终得到的HEMT的质量得到提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种HEMT外延结构的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的凸起在衬底上的投影示意图；

图3是本发明实施例提供的一种HEMT外延结构的制备方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明实施例提供的一种HEMT外延结构的结构示意图，如图1所示，该HEMT外延结构包括衬底1及依次层叠在衬底1上的AlN层2、GaN缓冲层3、AlGaN缓冲层4、GaN层5、AlGaN势垒层6与GaN盖层7。

AlN层2包括底层结构21与设置在底层结构21上的多个凸起22，多个凸起22均布在底层结构21上，衬底1层叠AlN层2的一个表面为第一表面11，多个凸起22在第一表面11上的投影221均不重合。

在AlN层2上生长GaN缓冲层3进而在GaN缓冲层3上生长AlGaN缓冲层4的结构，GaN缓冲层3可实现AlN层2到AlGaN缓冲层4的良好过渡，能够较好地连接AlN层2与AlGaN缓冲层4，提高在AlN层2上生长的AlGaN缓冲层4的质量进而保证在AlGaN缓冲层4上生长的GaN层5的质量。而将AlN层2设置为包括底层结构21与设置在底层结构21上的多个凸起22，AlN层2的底层结构21上多个凸起22的存在，GaN缓冲层3在AlN层2上生长时形成的岛状结构的数量较小，GaN缓冲层3的岛状结构的密度减小，生长得到的GaN缓冲层3的岛状结构的体积增大，岛状结构的合并延迟。而岛状结构的合并延迟使得大部分缺陷会在各岛状结构的晶界处，不会移动至成膜状后生长的GaN缓冲层3的一部分内，使得GaN缓冲层3生长AlGaN缓冲层4的表面较为平整，有利于提高在GaN缓冲层3上生长的AlGaN缓冲层4的质量。且在岛状结构的合并过程中，GaN缓冲层3在生长时产生的位错可移动至岛状结构与凸起22的侧壁之间的界面处而不会移动至在凸起22上生长的GaN缓冲层3处，相对提高了在凸起22上生长的GaN缓冲层3的质量，使最终得到的HEMT的质量得到提高。

可选地，AlN层2的厚度可为400～800nm。AlN层2的厚度在此范围内时，在AlN层2上生长的GaN缓冲层3以及AlGaN缓冲层4的质量较好。

示例性地，AlN层2中凸起22的高度可为400～800nm。此时凸起22可有效起到阻挡位错的作用，提高在AlN层2上生长的GaN缓冲层3的质量。

如图1所示，凸起22的形状可为圆锥形，凸起22的形状为圆锥形时，凸起22存在一定坡度的侧壁还可促进AlN层2上的GaN缓冲层3进行横向生长，GaN缓冲层3横向生长时产生的部分位错可与GaN缓冲层3纵向生长时产生的部分位错抵消，GaN缓冲层3内的位错缺陷减少，进而提高GaN缓冲层3的质量。

在本发明实施例提供的其他情况中，凸起22的形状也可为圆柱形或者圆台形，本发明对此不做限制。

示例性地，AlN层2中底层结构21的厚度可为300～1000nm。底层结构21的厚度设置在此范围内可为GaN缓冲层3提供一个良好的生长基础，生长得到的GaN缓冲层3的质量较好。

可选地，AlGaN缓冲层4的总厚度可为50～200nm，此时得到的HEMT外延结构整体的晶体质量较好。

示例性地，GaN缓冲层3的厚度可为100～200nm。此时可保证GaN缓冲层3与GaN缓冲层3上生长的结构的质量。

可选地，AlGaN势垒层6的厚度可为10～40nm，AlGaN势垒层6中的Al组分可为20～50％。此条件下的AlGaN势垒层6的质量较好，能够提高HEMT外延结构的整体晶体质量。

图2是本发明实施例提供的凸起22在衬底1上的投影221示意图，如图2所示，相邻的两个凸起22在第一表面11上的投影221上距离最近的两点之间的距离L均为500～1000nm。这种设置可控制两个相邻的凸起2232之间的距离，较好地提高在AlN层2上生长的GaN缓冲层3的质量。

可选地，每个凸起22在衬底1的第一表面11上的投影221上间隔最远的两点之间的距离D均为400～800nm。这种结构较为容易实现，也能够较好地提高HEMT外延结构的质量。

图3是本发明实施例提供的一种HEMT外延结构的制备方法流程图，如图3所示，该制备方法包括：

S1：提供一衬底。

其中，衬底可为蓝宝石衬底或者单晶硅衬底。

S2：在衬底上生长AlN薄膜，对AlN薄膜进行光刻操作，使AlN薄膜的表面形成多个凸起，得到AlN层。

其中，AlN薄膜可采用磁控溅射的方式生长，得到的AlN薄膜的质量较好。

示例性地，AlN薄膜可在氧气/氮气/氩气混合气氛下，在物理气相沉积PVD(Physical Vapor Deposition)设备的反应室的温度为500℃～700℃且反应室的压力为3～10mbar的的条件下,采用磁控溅射铝靶材的方式沉积在衬底上。在此条件下得到的AlN薄膜的质量较好，有利于保证最终得到的AlN层的质量。

可选地，步骤S2可包括：

在AlN薄膜上涂覆一层光刻胶。

对光刻胶进行曝光显影并对所述AlN薄膜上没有覆盖光刻胶的部分进行刻蚀，在光刻胶上形成凸起。

去除AlN薄膜上的光刻胶。

这种方式更便于AlN层的制作。

在本发明实施例提供的情况中，也可通过对AlN薄膜进行等离子体刻蚀处理进而得到AlN层的结构，本发明对此不做限制。

示例性地，步骤S2还包括：在对光刻胶进行曝光显影并对所述AlN薄膜上没有覆盖光刻胶的部分进行刻蚀之后，即使用清洁剂对AlN层与衬底进行清洗，清洁剂为浓硫酸和双氧水和纯水的混合配比为1：1：5的混合溶液。采用这种溶液清洗衬底之后可得到杂质较少的衬底，保证在AlN层上生长的结构的质量。

S3：在AlN层上生长GaN缓冲层。

其中，GaN缓冲层的生长温度可为900～1060℃，GaN缓冲层的生长压力可为300～500Torr。在此条件下可得到质量较好的GaN缓冲层。

可选地，GaN缓冲层的生长厚度可为100～200nm。在此条件下可得到质量较好的GaN缓冲层。

S4：在GaN缓冲层上生长AlGaN缓冲层。

其中，AlGaN缓冲层的生长温度可为500～600℃，AlGaN缓冲层的生长压力可为100～500Torr。在此条件下可得到质量较好的AlGaN缓冲层。在低温环境下生长得到的AlGaN缓冲层内部的原子排列较为致密，缺陷也较少，能够保证在AlGaN缓冲层上的GaN层的质量。

可选地，AlGaN缓冲层的生长厚度可为50～200nm。可保证得到的AlGaN缓冲层的质量。

AlGaN缓冲层在氮气与氢气的混合气氛中进行生长。生长得到的AlGaN缓冲层的质量较好。

S5：在AlGaN缓冲层上生长GaN层。

可选地，GaN层在氮气与氢气的混合气氛中进行生长。生长得到的GaN层的质量较好。

其中，步骤S5可包括：在AlGaN缓冲层上生长成核结构，成核结构为分布在AlGaN缓冲层上的图案结构，图案结构内包括镓原子与氮原子，其中成核结构的生长温度可为950～1060℃，成核结构的生长压力可为300～500Torr；

以成核结构为基础生长GaN薄膜，成核结构与GaN薄膜构成GaN层，GaN薄膜的生长温度可为1000～1200℃，GaN薄膜的生长压力可为100～500Torr。

在较低的温度下在AlGaN缓冲层上生长成核结构，可使得成核结构内图案结构的分布较为合理，提高得到的GaN层的质量。

可选地，成核层的生长厚度可为200～500nm，GaN薄膜的生长厚度可为500～2000nm。此时得到的GaN层的质量较好。

S6：在GaN层上生长AlGaN势垒层。

其中，AlGaN势垒层的生长温度可为1000～1200℃，AlGaN势垒层的生长压力可为100～200Torr。在此条件下可得到质量较好的AlGaN势垒层。

可选地，AlGaN势垒层的生长厚度可为10～40nm。可保证得到的AlGaN势垒层的质量。

AlGaN势垒层可在氢气气氛中进行生长。生长得到的势垒层的质量较好。

在生长AlGaN势垒层时，可向反应腔内通入100～500sccm的Al源。能够得到质量较好的AlGaN势垒层。

S7：在AlGaN势垒层上生长GaN盖层。

其中，GaN盖层的生长温度可为1000～1200℃，GaN盖层的生长压力可为100～400Torr。在此条件下可得到质量较好的GaN盖层。

可选地，GaN盖层的生长厚度可为10～30nm。可保证GaN盖层的质量。

GaN盖层在氮气与氢气的混合气氛中进行生长。生长得到的势垒层的质量较好。

执行完步骤S7之后的HEMT外延结构可见图1。

需要说明的是，在以上方法中，除AlN层之外的其他结构均在有机金属化学汽相沉积系统的反应腔内进行生长，且均以TMGa或TMAl或二者混合作为III族源，NH₃作为V族源，V/III比为5000～10000的条件下进行生长。得到的HEMT外延结构的质量较好。

在AlN层上生长GaN缓冲层进而在GaN缓冲层上生长AlGaN缓冲层的结构，GaN缓冲层可实现AlN层到AlGaN缓冲层的良好过渡，能够较好地连接AlN层与AlGaN缓冲层，提高在AlN层上生长的AlGaN缓冲层的质量进而保证在AlGaN缓冲层上生长的GaN层的质量。而将AlN层设置为包括底层结构与设置在底层结构上的多个凸起，AlN层的底层结构上多个凸起的存在，GaN缓冲层在AlN层上生长时形成的岛状结构的数量较小，GaN缓冲层的岛状结构的密度减小，生长得到的GaN缓冲层的岛状结构的体积增大，岛状结构的合并延迟。而岛状结构的合并延迟使得大部分缺陷会在各岛状结构的晶界处，不会移动至成膜状后生长的GaN缓冲层的一部分内，使得GaN缓冲层生长AlGaN缓冲层的表面较为平整，有利于提高在GaN缓冲层上生长的AlGaN缓冲层的质量。且在岛状结构的合并过程中，GaN缓冲层在生长时产生的位错可移动至岛状结构与凸起的侧壁之间的界面处而不会移动至在凸起上生长的GaN缓冲层处，相对提高了在凸起上生长的GaN缓冲层的质量，使最终得到的HEMT的质量得到提高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种HEMT外延结构，所述HEMT外延结构包括衬底及依次层叠在所述衬底上的AlN层、GaN缓冲层、AlGaN缓冲层、GaN层、AlGaN势垒层与GaN盖层，其特征在于，

所述AlN层包括底层结构与设置在所述底层结构上的多个凸起，所述多个凸起均布在所述底层结构上，所述衬底层叠所述AlN层的一个表面为第一表面，所述多个凸起在所述第一表面上的投影均不重合。

2.根据权利要求1所述的HEMT外延结构，其特征在于，所述AlN层的厚度为300～1000nm。

3.根据权利要求1所述的HEMT外延结构，其特征在于，相邻的两个所述凸起在所述第一表面上的投影上距离最近的两点之间的距离均为500～1000nm。

4.根据权利要求3所述的HEMT外延结构，其特征在于，每个所述凸起在所述第一表面上的投影上间隔最远的两点之间的距离均为400～800nm。

5.根据权利要求1～4任一项所述的HEMT外延结构，其特征在于，所述凸起的高度为300～1000nm。

6.根据权利要求1～4任一项所述的HEMT外延结构，其特征在于，所述底层结构的厚度为5000～10000nm。

7.根据权利要求1～4任一项所述的HEMT外延结构，其特征在于，所述GaN缓冲层的厚度为100～200nm。

8.一种HEMT外延结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上生长AlN薄膜，对所述AlN薄膜进行光刻操作，使所述AlN薄膜的表面形成多个凸起，得到AlN层；

在所述AlN层上生长GaN缓冲层；

在所述GaN缓冲层上生长AlGaN缓冲层；

在所述AlGaN缓冲层上生长GaN层；

在所述GaN层上生长AlGaN势垒层；

在所述AlGaN势垒层上生长GaN盖层。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述对所述AlN薄膜进行光刻操作包括：

在所述AlN薄膜上涂覆一层光刻胶；

对所述光刻胶进行曝光显影并对所述AlN薄膜上没有覆盖光刻胶的部分进行刻蚀，在光刻胶上形成凸起；

去除所述AlN薄膜上的光刻胶。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述对所述光刻胶进行曝光显影并对所述AlN薄膜上没有覆盖光刻胶的部分进行刻蚀还包括：

对所述光刻胶进行曝光显影并对所述AlN薄膜上没有覆盖光刻胶的部分进行刻蚀；

使用清洁剂对所述AlN层与所述衬底进行清洗，所述清洁剂为浓硫酸和双氧水和纯水的混合配比为1：1：5的混合溶液。